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It is state of technology in district heating systems to use sand as backfill material for district heating pipes (DHP). In conventional pipeline construction, Temporarily Flowable Backfill Materials (TFB) have been already used for backfilling the pipe zone. TFB consists of the excavated material, cement, water and optionally bentonite. Environmental and economic advantages are that the excavated material can be reused and that TFB requires no compaction. In order to embed district heating pipes in TFB, soil mechanical parameters of the TFB are required. Above all the resistance to temperature-induced axial displacement should be well-known in order to estimate the displacements of the DHP, as well as the stress distribution along the DHP. Compared to sand as a non-cohesive backfill TFB have remarkable adhesive contact stresses which result in considerable resistance forces.In this article, the contact behavior between TFB and DHP is described as well as the effect on the DHP statics. Therefore, the results of various laboratory tests are summarized and presented to understand the interface-resistance-characteristics (IRC) of the DHP/ TFB interface. Then, the deduced IRC was implemented in a computer program for some comparative calculations with sand and TFB. Finally, the results of cyclic loading are presented and discussed.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen zeitweise fließfähigen, selbstverdichtenden Verfüllbaustoffen (kurz: ZFSV) und erdverlegten, thermisch beanspruchten Rohren und die Entwicklung eines Berechnungsansatzes, mit dem das Tragverhalten der Rohre genauer beschrieben werden kann. Zu den thermisch belasteten Rohren zählen Fernwärmeleitungen sowie Übertragungsleitungen für hohe Gleichspannungen. Zur Berechnung der Verschiebungs- und Normalkraftverläufe entlang der Rohre ist vor allem die Kenntnis über den Widerstand gegen temperaturbedingte axiale Rohrverschiebung maßgebend. Der Verschiebewiderstand wird mit speziell entwickelten, kleinmaßstäblichen Versuchen im Labor untersucht und in Abhängigkeit des Probenalters und der Normalspannung dargestellt. Da die Normalspannung Einfluss auf die Größe des Widerstands hat, wird ein Großversuch durchgeführt, mit dem aus der radialen Temperaturausdehnung des Rohres auf die Kontaktnormalspannungsänderung geschlossen werden kann. Es wird bei dem Großversuch sowie bei den kleinmaßstäblichen Laborversuchen ein quasi-kontinuierlich messendes faseroptisches Messsystem eingesetzt, mit dem die Dehnungen bzw. Stauchungen des Rohres und des ZFSV bestimmt werden können. Aus den Versuchen wird gefolgert, dass im Vergleich zu nichtbindigen Böden, zwischen dem Rohr und dem ZFSV Adhäsionskräfte auftreten, die zu deutlichen Verschiebewiderständen führen. Da es aktuell keine Regelwerke sowie wissenschaftliche Untersuchungen gibt, mit denen zuverlässig ein thermisch beanspruchtes Rohr bemessen werden kann, bei dem auch Adhäsionskräfte an der Kontaktfläche berücksichtigt werden, ist eine Bemessung von in ZFSV verlegten Rohren aktuell nicht möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Tragverhalten solcher Rohrleitungssysteme untersucht und die Grundlagen für die Bemessung erstellt. Aus den kleinmaßstäblichen Laborversuchen, dem Großversuch sowie mit numerischen Untersuchungen wird das Kontaktverhalten analysiert und eine Arbeitslinie entwickelt, die den Verschiebewiderstand in Abhängigkeit der axialen Rohrverschiebung wiedergibt. Mit dieser Kontaktwiderstandsarbeitslinie wird ein Stab-Feder-System und ein halbanalytischer Berechnungsansatz entwickelt, mit denen die Normalkräfte und Verschiebungen von erdverlegten, thermischen beanspruchten Rohren berechnet werden können.